铸钢节点在建筑结构中应用doc

  铸钢节点在建筑结构中应用 （西南林业大学 云南 昆明 650224） 【摘 要】铸钢节点愈来愈普遍的应用在工程结构中，本文对国内外的文献进行综述，对铸钢节点的优缺点、种类、加工工艺及内力研究情况做了说明，为铸钢节点的研究提供参考。 【关键词】铸钢节点；分类；工艺；内力研究 The Application Of Cast-Steel Node In Structure Xu Guo-lin1, Huang Cheng-kai2 (Southwest Forestry University Kunming Yunnan 650224) 【Abstract】The Cast-steel node is more and more used in structures,this article sums up the literatures domestic and external,it has explained the advantages,types,processing technology and the researching about inter force, which can provide references for cast-steel node. 【Key words】Cast-steel Node;Assortment;Processing technology;Researching about inter force 1. 引言 随着铸造技术的持续不断的发展，大跨度空间钢结构的广泛应用，各种铸钢连接节点不断应用到结构中，并成为一种主要流行趋势。最初的节点的连接方式如焊接球节点、钢管相贯节点等已逐渐被代替。在德国、日本等发达国家已经普遍采用铸钢节点。国内首次使用铸钢节点的工程是1999年深圳文化中心“黄金树”钢结构工程［1 ］。铸钢节点用于杆件交汇数量多、交角小、制作复杂或承载力大、受力要求高的节点，尤其是采用焊接等连接方式难以实现或易引起过大焊接残余应力而又不便消除的情况，能够尽可能的防止较大的焊接残余应力集中。 铸钢节点与传统的焊接节点相比有如下特点：（1）铸钢节点造型美观、适用性很强，可以铸成空间任意形状，使任何形状的建筑造型都能成为现实；（2）铸钢节点采用整体浇筑，内部不存在焊接残余应力，减轻了应力集中；（3）焊接结构铸钢节点的化学成分要求要严控C、S、P的含量因此具有更加好的可焊性；（4）由于铸钢节点在工厂制作完成，大幅度减少了高空作业的工作量，使建筑成本降低，整体工程质量提高，并且大幅度的降低了高空作业对实施工程人员带来的危害。 2. 铸钢节点分类 2.1 建筑用铸钢节点按连接不同可分为： 铸钢相贯管节点：将与钢管构建相连的汇交管件直接浇筑在一起而形成的铸钢节点，内腔可以是???心，也可以是半空心。主管直通，直观加工成相贯面后直接与主管焊接。 铸钢空心球节点：将与钢管构建相连的空心球及其附连管件整体浇筑而成的铸钢节点，是一种闭合的球形壳体，受力不同时其破坏方式将会不同：在受压为主的地方，一般是属于壳体稳定问题，破坏沿球管连接处外侧发生压曲失稳。在受拉为主的情况下，属于强度破坏问题，具有冲剪破坏的特征。 铸钢板式节点：将与钢结构构件相连的板件直接浇筑在一起而形成的铸钢节点。 铸钢组合节点：将多种连接方式融合在一起以连接钢结构构件、部件或板件的铸钢节点。 2.2 按结构内部构造可分为： 实心铸钢节点：整个节点实心铸造，没有减重措施，承载力较大但节点材料浪费，工程建设价格较高，结构自重大，对整个工程受力及其不利。 半空心半实心铸钢节点：在实心铸钢节点某些部位设置减重孔，内表面通常以抛物线，椭球面等。空心铸钢节点：将所有杆件浇铸成空心，节点承载力相比来说较低，但大大减小自重降低造价，在选择铸钢类型时在满足强度及铸造工艺技术要求外优先选择该种节点类型。 3. 铸钢节点铸造方法 铸钢件是国家装备制造的基础行业，与工业发达国家相比，我国大型铸钢件生产在产品品种、工艺水平、质量等级及制造装备等方面均存在比较大差距。综合国内关于铸钢节点铸造文献，主要有以下几种工艺： 3.1 VRIⅠ-CO2水玻璃砂铸造工艺［2 ］：VRIⅠ-CO2法由美国发明并申请专利，日本铸造研究者开发了成套生产设备，并成功应用于生产。国内1993年引进该种铸造方法铸型强度及表面稳定性较好，溃散性有所提高，对于铸钢节点的铸造十分有利。 3.2 有机酯水玻璃砂铸造工艺［3 ］：水玻璃砂型中加入10%～20%的有机酯，加快了硬化速度并提高硬性，进一步减小水玻璃和有机酯的加入量，提高了型砂的溃散性，方便可旧砂的再生利用。此种方法适用于大型的铸钢件，大型的铸钢节点能够正常的使用此方法。 3.3 消失模――砂型复合铸造工艺［4 ］：用泡沫代替木模支座铸钢节点外轮廓模样，局部薄壁位置采用木模制作砂芯；将实心泡沫按原始工艺，即水玻璃砂造型，砂型硬化后采用破坏方式将泡沫取出，然后下入木模制作的砂芯，合箱浇铸。 3.4 组合成模工艺［5 ］：这种方法是在上海世博会世博轴工程中开发出来的，将各不同的铸钢节点按一定的截面规格分解成标准模块，然后将标准模块最终形状组合成模。标准模块使用高密度泡沫塑料压注制成，利用机器人技术进行数控切割和数控定位组合成模，提高了模型的制作加工精度和效率。 4. 铸钢节点内力研究 20世纪六七十年代英、法、德就已经开展了关于铸钢节点的研究，在英国铸钢节点起初是被应用在海上钻井平台上，当时就展开了铸钢节点的内力研究［6 ］。在德国等地1972年慕尼黑奥体场馆索网屋顶的锚索扣件采用铸钢设计，可以说铸钢件由此开始在建筑工程结构中的复兴。国内的铸钢节点研究起步较晚，目前还没有一套成熟的铸钢节点设计方法，2008年颁布的铸钢节点应用作业规程［7 ］是以国内外材料、设计、制作等科研成果为基础的，只是简单规定了节点承载力的计算公式，在如疲劳强度等方面没有涉及到，对于大型、复杂的节点还不适用。目前国内的研究文献对铸钢节点的内力研究主要是通过实验研究以及有限元法模拟的方法。 4.1 空间网壳结构铸钢节点内力研究。文献［8 ］结合重庆奥林匹克体育中心体育场钢网壳结构铸钢节点足尺试验,对比了试验和有限元计算的结果,分析了节点的应力分布规律,按照Mises屈服准则评估了节点的承载安全性。文献［9 ］根据南京奥体中心体育场钢屋盖主拱铸钢节点的试验项目,介绍了在此次试验过程中的难点及试验方案。文献［10 ］结合工程实际介绍了铸钢节点的应用概况,研究了节点的特性、分类以及铸造工艺,并对铸钢节点的设计提出建议。 4.2 高层建筑结构铸钢节点内力研究。 文献［11 ］通过杭对州国际会议中心钢结构工程的超大型复杂铸钢节点进行设计及实验研究指出，异型高层钢结构中的铸钢节点与普通空间结构铸钢节点区别主要在节点受荷性质多样性及受荷值数量级上的区别。文献［12 ］介绍了成都高科技商务广场钢结构的设计，采用了国内首次采用的上圆下方的圆锥台铸钢件节点，利用有限元软件和实验得到了上圆下方铸钢节点的应力分析数据及节点滞回曲线 ］介绍了在杭州湾跨海大桥海中平台铸钢节点的焊接技术方法，减少焊接量控制焊接应力使结构均匀变形，保证了实施工程质量。 4.3 大跨度铸钢节点内力研究：随着大跨度铸钢节点结构的广泛应用，在实际荷载下铸钢节点的应力情况趋于复杂，有学者采用试验方法对其进行了研究以取得必要的设计参数。文献［14 ］利用ANSYS有限元软件模拟了天津梅江会展中心的铸钢节点在多种不利荷载作用下的受力情况，得到节点应力低于材料屈服值的结果。文献［15 ］通过现场跟踪实测重庆江北机场航站楼钢桁架铸钢节点得到节点表面应力测试值，利用 Pro/E软件推断内部应力值，分析值与实测值吻合。在文献［16 ］中，作者介绍了国家体育场桁架节点的情况，通过试验及有限元模拟得到空间管节点多跟杆件交汇节点应力应变状况，完善了整个节点的性能和进一步提升节点的承载力。文献［17 ］对金奥大厦进行了在平衡和不平衡荷载工况下的3个足尺模型试验研究，利用ANSYS软件进行了有限元分析,有限元分析结果与试验实测值吻合良好。 4.4 铸钢节点疲劳性能研究。铸钢节点在工程中的应用呈流行趋势，但我国的铸钢节点应用技术规程没有提及疲劳问题，目前对于铸钢节点疲劳问题研究极少：文献［18 ］以杭州湾跨海大桥海中平台为例，针对节点铸钢的疲劳问题，介绍了谱分析法及近似方法估算疲劳极限方法，为铸钢节点疲劳强度的研究提供了借鉴。文献［19 ］介绍了运用无限寿命法和有限寿命法对铸钢构件做疲劳强度验算的过程，建立铸钢构建S――N曲线的简化方法，并根据构建厚度对S――N曲线 ］对铸钢节点环形对接焊缝疲劳问题进行了研究，为研究铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算方法和细节设计，将热点应力法用在铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算中，并研究节点精细有限元的建模、热点位置、热点寿命曲线的选取，为工程中铸钢节点环形对接焊缝的疲劳强度计算和细节设计提供参考。 5. 总结 综上所述，我国的铸钢节点技术与国外还有差距，特别是在铸钢节点疲劳性能方面研究很少，关于土木工程常用铸钢材料和构件疲劳数据非常缺乏，在大型节点上还没有完整的设计方法，有必要在这样一些方面进行深入研究。 参考文献 ［1］ 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